利用自然冷源的蔬菜贮藏装置设计与适用区域

王喆，臧润清，张秋玉，王欢

（1.天津市中医药大学第一附属医院，天津 300193；2.天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134）

利用自然冷源的蔬菜贮藏装置设计与适用区域

王喆1，臧润清2，张秋玉2，王欢2

（1.天津市中医药大学第一附属医院，天津 300193；2.天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134）

在我国的华北、东北和西北地区春冬季气温较低且持续时间长，有着很大的自然冷源蕴藏量，可以用于蔬菜的贮藏。本文介绍了利用自然冷源贮藏蔬菜的装置及其适用区域，主要包括适用于家庭的小型蔬菜贮藏装置和与冷库结合使用的大型蔬菜贮藏装置。分析表明：小型蔬菜贮藏装置通风效果好，利用室外冷源或室内热源，节约能源，提高蔬菜贮藏品质；大型蔬菜贮藏装置与冷库结合使用，在我国东北、西北地区气温较低、冬季较长的区域，可利用室外空气循环降温的时段较长，节能与环保效果显著。

自然冷源；蔬菜贮藏；装置设计；适用区域；优点

自然降温贮藏是一种既简易又传统的食品贮藏方法，常用的方法有堆藏、沟藏、冻藏和通风窖藏，贮藏原理都是利用外界的自然低温调节贮藏环境的温湿度。虽然这些方法经常受地区或季节限制，且很多时候不能将贮藏温度控制到一个理想水平。但因储藏设施结构简单，所需建筑材料少，费用低廉，对于缓解蔬菜供需矛盾起到了一定作用，所以这些简易贮藏方式在我国的许多水果和蔬菜产区都有非常普遍的应用，占我国水果和蔬菜的总贮藏量的比重较大。虽然自然降温贮藏的寿命一般不太长，但对于某些果蔬却有较经济的应用价值，如用沟藏的方法贮藏萝卜，用微冻贮藏的方法贮藏菠菜，用假植贮藏的方式贮藏芹菜、莴笋、菜花等，大白菜、苹果、梨等可以使用窖藏，白菜、洋葱可以利用堆藏或者垛藏的方法。这些自然贮藏方法大多在北方的冬季和早春使用，因此时气温偏低，贮藏产品的温度大多在0℃左右。我国其它有特殊地理环境的地区，冬季和早春能够形成较低气温的可以使用自然降温贮藏的方法贮藏果蔬，例如柑橘使用地窖贮藏也可以起到良好的效果。

自然冷源是指寒冷的空气、水、永久冻土等自然资源。我国处在欧亚大陆的最南部，冬季气温较低，是同纬度气温年相差最大的国家。因为水发生相变的转折点是0℃，气温低于0℃的时间和范围可以作为评价能否利用自然冷源的一项指标。我国的领土中气温在0～10℃的地域范围很大且延续时间长，自然冷源蕴藏量很大。由此可知，我国具备利用自然冷源的基本条件，而且，近年来随着世界范围能源短缺问题的加剧，自然冷源将得到更为广泛的利用。

1 蔬菜需要的贮藏条件

在影响果蔬贮藏的众多因素中，温度是影响果蔬保鲜的一个重要因素。大量研究结果表明，在低温环境下贮藏果蔬是保持果蔬品质的最有效办法之一。新鲜食品在常温下放置一段时间，腐败变质的原因主要是食品中的酶与微生物作用。因此，控制酶的活性，从而抑制微生物的活动能力，就能较好地保持食品质量。低温能降低食品中酶的活性，所以可以很好地保持食品的色、香、味及营养价值。

我国北方冬季的主流蔬菜卷心菜、胡萝卜、芹菜、韭菜、蘑菇、洋葱、菠菜、萝卜、大白菜等，最佳的贮藏温度是0℃，相对湿度在95%～100%，贮藏期也比较理想。需要贮藏温度较高的蔬菜有黄瓜7.2～10℃、湿度95%，茄子7.2～12.2℃、湿度90%～95%，番茄7.2～10℃、湿度90%～95%。蔬菜贮藏过程中，温度不能低于冰点，温度低于冰点时，发生冻害。组织结冰，细胞脱水收缩，细胞膜受损，通常表现为果皮变褐或皱缩，出现不规则水浸状斑块。不同蔬菜对冻害敏感性不同，例如菠菜的敏感性就低于其它蔬菜。对于某些植物来说，温度不能降到冰点附近，以免产生冷害。发生冷害后，果蔬的细胞结构被破坏，电解质向外渗透，氨基酸、无机盐以及糖会从细胞中流出。症状为表面呈现水浸斑、凹陷斑或烫伤状，褐变甚至内部组织变坏，有异味，表面溃烂。冷害造成果蔬生理代谢失调，还伴随明显的外观品质劣变，冷害的发生不易察觉，常常会造成严重损失。

2 我国适宜自然冷源贮藏的区域

在当今的环境问题中，臭氧层破坏和气候变暖是与制冷行业的发展有关系的两大问题。由于在制冷中常用的氟利昂类制冷剂不同程度地破坏臭氧层、增强地球温室效应，同时制冷系统的运行主要依靠电力或化工原料的支持，煤、石油、天然气转化成电力时放出CO2，更加增强了温室效应。鉴于制冷系统对环境的影响，利用自然条件降温的冷藏装置可以提高资源利用效率，以较少耗电量实现果蔬的保鲜，不需要氟利昂等对环境有害的物质，不会对环境产生不利影响，符合资源节约和环境友好的社会发展趋势。我国华北、东北、西北等地年日均气温稳定，≦5℃的天数大于或等于90d的区域，界定为适宜发展利用自然冷源进行贮藏的地区，详见图1。

图1 我国冬春季气温等于或低于5℃的地区划分图

我国的华北地区，包括北京市、天津市、河北省、山西省、内蒙古自治区（中部）。地理意义上，华北地区一般指秦岭——淮河线以北，长城以南的中国广大区域；华北与东北地区、内蒙古地区相接的区域。华北地区的气候为“暖温带半湿润大陆性气候”，四季分明，光照充足；冬季寒冷干燥且较长，但气温远高于东北和西北地区，一般只要建立良好的保温体，通过引入室外冷空气并进行一定的加湿，就可以满足蔬菜的贮藏要求；东北和西北气温偏低，在环境温度较低的时候需要对保温体内空气进行加热与加湿，并结合室外气温的变化引入环境空气就可以满足温湿度要求。

3 贮藏装置设计探讨

3.1 适用于家庭的小型蔬菜贮藏装置

3.1.1 设计背景

小型蔬菜贮藏装置适用于我国所有冬季需要采暖的区域。按照我国对采暖地区室内温度最低为18℃的要求，可知这个温度远高于大部分蔬菜最佳贮藏温度，这种天然的热源如果能被加以利用，与外界环境的冷空气在一定大小的保温容器内达到平衡，不但可以方便地贮藏蔬菜，还可以节省不少能源。蔬菜的存放需要合适的温度，而在我国北方，冬季贮藏蔬菜类食品是众多家庭的生活习惯，也是必须的一个环节，尤其在春节期间更需要大量贮存，否则市场的供给不能满足需求。电冰箱贮藏的缺点：一是，空间有限，尤其是体积较大的水果蔬菜，电冰箱就没有足够的空间了；二是，电冰箱内结冰的析湿作用会加速蔬菜的水分蒸发，使干耗加快，降低了贮藏质量；三是，冰箱内没有通风换气装置，内部的污浊空气不易排放，果蔬之间相互影响，导致病害的发生；四是，电冰箱中多种食物混放，导致串味严重，使各种食品独有的色香味改变。3.1.2 设计方案及优势

本设计装置是利用自然冷热源作为工作介质进行换热的蔬菜贮藏系统，其结构见图2。

图2 适用于家庭的小型蔬菜贮藏装置

该冷藏装置的保温箱体可以是硬质材料，如硬质聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料，内外皮可使用工程塑料或金属材料；柔性保温材料可使用中空纤维，面料使用PVC涂塑帆布、防雨绸布料（聚丙烯、聚乙烯等）。柔性材料制作的保温箱体可以折叠或装入真空袋中缩小体积收纳。这种冷藏箱可以置于室外，也可以放在室内。放在室外需要引入室内热空气，放在室内需要从室外引入冷空气。为了避免蔬菜过多的失水，贮藏蔬菜时需要在蔬菜外面包装两层纸。

该冷藏装置与传统电冰箱相比，优势明显。

（1）利用自然冷源，节约成本，保护环境

自然冷热源对环境没有任何危害，且在大自然中广泛存在，取之不尽，用之不竭。自然恒温冷藏箱利用自然冷热源作为贮藏环境的主要能源，摒弃了大量电能和其他不可再生能源的使用，既节省了使用成本又保护了环境。（2）装置可以折叠和收缩，存放方便

在使用方面，由于材料和结构简单，在蔬菜生产旺季不使用时，可以通过折叠和收缩等方式进行收纳存放，不仅可以避免箱体老化，而且较少占用空间，为普通家庭用户增添了更多便捷（仅适用于柔性保温箱体材料）。

（3）利用家庭室内的热空气，保证箱内湿度

该装置由于把家庭室内的热空气供给到箱体内，与箱内空气混合温度降低，相对湿度增加，能够确保箱内空气具有较高的相对湿度，减少蔬菜干耗，保持蔬菜新鲜。（4）通风效果好，避免串味

冷藏箱内的生鲜蔬菜由于被箱体包裹，通风效果好，再加之一般选择特性相近的蔬菜一起保存，避免了因冰箱内放置多种食品引起的串味和互相影响的问题。

（5）及时排除有害气体，确保蔬菜正常呼吸作用

与传统电冰箱的区别在于冷藏箱可以保证充足的新鲜空气供给，及时排除箱内蔬菜代谢产生的乙烯等有害气体，同时供给足够的新鲜空气，确保蔬菜的正常呼吸。（6）投资小，能耗低

冷藏箱不使用常规的制冷设备，仅使用一台温度控制器和小风扇，投资小能耗低，维护管理简便，使用寿命很长。与普通利冷藏箱相比节省了因电机等能源消耗，最重要的是避免了制冷剂泄漏等问题带来的环境污染。

（7）自动化程度高

冷藏箱使用过程中，只要将温度控制器设定到需要温度，温度控制器将通过自带的感温探头感知箱内空气温度，并通过风扇等装置自动调节进风量，无需人为监控。（8）市场前景好

从市场价值来看，冷藏箱材料普通，结构简单，且成本低廉，制作十分方便，有很大市场发展空间和价格优势。

3.2 与冷库结合的大型蔬菜贮藏装置

3.2.1 装置设计

大型蔬菜贮藏装置与小型装置并没有本质的区别，只是需要考虑冷库的常年使用，所以，需要增设机械制冷装置。能够全年使用且具有自然贮藏功能的大型蔬菜贮藏冷库原理如图3所示。室外安装有温度传感器，当室外环境温度低于0℃（根据贮藏的蔬菜品种可升高或降低）停止机械制冷装置运行，关闭电动风阀②，启动室外空气循环降温模式。当库温高于温度上限开启电动风阀①和电动风阀③，运行送风机，室外冷空气被均匀送入库房，与蔬菜换热升温后从排风道排出。待库房温度降至库温下限关闭电动风阀①、电动风阀③和送风机。当室外温度升高至不足以使得库房温度降至下限，则转入机械制冷模式，关闭电动风阀①、电动风阀③和送风机，开启电动风阀②，制冷机根据库温上、下限启动和停止运行。无论是室外空气循环降温模式还是机械制冷模式，加湿装置始终根据库内空气湿度要求进行加湿。大型蔬菜贮藏装置，同样存在蔬菜的失水现象，因此，蔬菜贮藏时也需要防止水分挥发的包装，但这种包装必须具有一定的透气性。另外，对于寒冷地区，当库外环境温度过低时需要启动加热模式，防止蔬菜冻结。

图3 与冷库结合的大型蔬菜贮藏装置

3.2.2 装置的适用范围和优点

（1）适用范围广

利用自然条件贮藏蔬菜是一种传统方法，我国的华北地区（包括北京市、天津市、河北省、山西省、内蒙古自治区中部）、东北和西北地区都可以应用这种方法贮藏蔬菜。东北、西北地区寒冷，需要在冷藏库中增设加热设施，避免蔬菜冻结。

（2）模式切换简便

利用自然条件贮藏蔬菜装置控制结构简单，机械制冷模式与室外空气循环降温模式的相互切换，可通过采集库房温度和室外环境温度两个参数给予实现。

（3）加湿装置具有通用性

大型蔬菜贮藏装置必须安装加湿装置，在室外空气循环降温模式下启动加湿，以保证冷库内有较高的湿度，减少蔬菜的失水量。在机械制冷模式下该加湿装置亦可根据库内湿度状况启动，可以提供更加完善的蔬菜贮藏条件。

（4）通风换气可实现自动控制

在机械制冷模式下仍然可以使用室外空气循环模式定时引入室外新鲜空气，排出库内污浊空气。该过程可通过时间控制器实现自动控制。

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Design and Applicable Region of Vegetable Storage Device Using Natural Cold Source

WANG Zhe1,ZANG Run-qing2,ZHANG Qiu-yu2,WANG Huan2
(1.The First Affiliated Hospital of Tianjin University of Traditional Chinese Medicine,Tianjin 300139,China; 2.Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China)

A lot of natural cold energy,which was appropriate cold resource for storing vegetables,reserved in the north, northeast and northwest regions of china,because the temperature in spring and winter was lower and lasted longer than other regions.Emphasis was put on two kinds of equipment of storing vegetables by natural conditions in the article,one was small vegetable storage equipment suitable for family and the other was large vegetable storage equipment.Analysis showed that small vegetable storage equipment which used indoor heat to prevent freezing ventilated effectively,saved energy and improved the quality of the storing vegetable.Large vegetable storage equipment combined with cold storage. As a result of the low temperature in northeast and northwest regions,it was necessary to add heating facility to cold storage.The winter was long in these districts,then the period of using outdoor air to cool down was long,the effect of energy saving and environmental protection was still considerable.

Natural cold source;vegetable storage;device design;applicable region;advantages

S609+.3 TU267+.5

A

1008-1038(2017)04-0009-04

2016-12-26

王喆（1982—），男，工程师，主要从事空调与果蔬保鲜技术研究